一种钻芯法检测防渗墙钻取全孔原状芯样的方法与流程

本发明涉及一种水利工程领域，具体为一种钻芯法检测防渗墙钻取全孔原状芯样的方法。

背景技术：

防渗墙是水利工程中的主体工程，其工程质量至关重要。为确保防渗墙工程质量，安全地将工程交付使用，加强质量检测是基本环节。

近年来，各种不同的施工工艺运用于防渗墙施工，然而，任何一种施工工艺所建造的防渗墙都可能存在不同程度的质量问题，如：接缝、开叉、断墙、蜂窝、离析、夹泥等，甚至出现墙体深度不够、松散地层未成墙等严重质量问题。由于防渗墙属隐蔽工程，且埋深较大，而其质量问题往往集中于底部，检测难度较大。准确检测防渗墙的工程质量，一直是水利工程质量检测工作中的难点和关键问题。

在防渗墙检测技术手段中，钻孔取芯是一种最直观、最可靠的方法，然而，过去对防渗墙进行钻孔取芯检测时，由于墙体强度很不均匀，采芯率很低，特别是在检测高喷、深搅及塑性混凝土墙时，采芯率大多低于50%，对于墙体薄弱部位甚至取不到芯样（薄弱部位实则为检测关注的重点），以至于我们无法对墙体质量进行准确评价。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钻芯法检测防渗墙钻取全孔原状芯样的方法,采取完整的原状芯样以实现对防渗墙质量进行精准检测和评价，工程造价低，取芯率高，并提高检测速度。

本发明采用的技术方案如下：一种钻芯法检测防渗墙钻取全孔原状芯样的方法,其特征在于：

第一步配制冲洗液；

第二步平整场地，钻机就位，安装机台；

第三步布设沉渣池及循环沟；

第四步安装单动双管钻具；

第五步钻进；

第六步提钻采芯。

进一步，所述第一步配制冲洗液具体为：冲洗液原材料为水、羧甲基纤维素钠（CMC）、烧碱、JXSK型树酯；所述原材料配合比为：水100份、羧甲基纤维素钠0.2份、烧碱0.2份，JXSK型树酯2份。

现有的取芯技术，之所以无法取出全孔原状芯样，是因为钻至低强度层位或未胶结层位时，冲洗液会把原状样品冲散冲碎，大部分物质变为钻渣，随冲洗液返出孔口。

由于防渗墙墙体中往往含有坚硬的卵石颗粒，必须选用金刚石钻头回旋式钻进工艺（冲击式钻进更容易破坏芯样），而这种工艺必须使用钻孔冲洗液（否则无法同时实现冷却、携渣和护壁），而传统的钻进工艺，冲洗液泵入量一般较大（太小没进尺），采不出完整的原状芯样。由此推论，要取出全孔完整的芯样，必须给进小泵量冲洗液，在此前提下，还要求该冲洗液在小泵量的同时，具有良好的排渣能力，本发明所采用的冲洗液正好可以满足以上要求。

传统的取芯技术中，一般采用清水或泥浆作为冲洗液。当采用清水作为冲洗液时，由于其密度较低，所以携渣能力差，只能携出小颗粒钻渣，而大颗粒钻渣残留孔底，从而钻进效率很低，且大颗粒钻渣堆积孔底，不断地挤压破坏芯样，也无法取出完整的芯样；当采用泥浆作为冲洗液时，由于泥浆属固相冲洗液，虽然携渣能力强，但冲击力太大，容易冲坏芯样。而本发明所采用的冲洗液是一种无固相复合冲洗液，既有良好的携渣能力，又不会冲坏芯样，同时具有携渣、冷却、润滑、护壁、护芯等作用。

所述第三步布设沉渣池及循环沟具体步骤为：

（1）沉渣池尺寸宜为长2m×宽1m×深0.6m，两条长边之间设隔渣板一块，隔渣板上方留一个直径10cm左右的连通孔或缺口；

（2）循环沟布设在沉渣池与孔口之间，沟长宜大于等于5m，沿循环沟宜再布设数个小沉渣池。

现有的取芯技术，往往不设沉渣池及循环沟，即使布设沉渣池及循环沟，其布设位置及尺寸也比较随意，容易导致给进的冲洗液中含有砂粒，沙粒一旦进入钻具中内外管之间的间隙，就会卡住，导致内管跟着外管旋转，使钻具失去单动性，从而使进入内管的低强度芯样崩塌，继而大部分颗粒变为钻渣返出孔口，取不到完整的芯样。而本发明所采用沉渣池及循环沟的布设方法，可让孔内所返出的粗颗粒钻渣在流程中不断沉淀，确保给进的冲洗液中不含粗颗粒砂粒，从而避免砂粒进入内外管之间的间隙而使钻具失去单动性。

进一步，所述第四步中的单动双管钻具，包括外管、内管和钻头；所述内管为新型半合管内管，新型半合管内管分成二个半合管，半合管上每隔一段距离设置有环形凹槽，每个环形凹槽内设斜缝，在环形凹槽上设有若干个连接扣，连接扣和环形凹槽和斜缝配套连接；所述斜缝设置在半合管上的环形凹槽，斜缝深度大于环形凹槽深度，形成新型半合管内管卡口，环形凹槽内置的形成新型半合管内管卡口一端直径小，另一端直径大；所述连接扣为一个通孔环形的缺口圆筒，缺口即为卡扣，连接扣由卡扣和卡箍组成，卡扣为一端直径小，另一端直径大，卡扣和新型半合管内管卡口配套。

所述半合管具有径向弹性，可随着芯样外径大小调整内管直径大小，既不会因芯样外径太大压碎芯样，也不会因芯样外径太小造成芯样滑落；钻头外径为94mm，为地质行业非标钻头；外管外径为89mm，内径为85mm;钻头外径比外管外径大5mm左右；外管内径比内管外径大8mm左右，即内外管之间的间隙为4mm左右；钻进时，外管和钻头旋转，而内管不旋转。

现有的取芯技术，若采用传统的半合管作内管时，如果芯样外径稍大，进入后容易把半合管胀开，如果芯样外径稍小，又容易在提钻后滑落。本发明所采用的半合管，设有斜缝和连接扣，既能防止半合管被胀开，又能防止芯样滑落。

进一步，所述第五步钻进具体为：（1）下钻前预估孔底深度，下钻时钻具应小心轻放，钻头底部距孔底5cm左右时，再启泵送液，孔口稳定溢流至少1min后钻进；（2）钻进参数应按照“一高两低”的原则操作，即高钻速，低泵量，低钻压；（3）钻具在孔内正常钻进时不应提动钻具，不能随意改变钻进参数。

现有的取芯技术，下钻时容易把孔底的钻渣挤进钻具内外管之间的间隙中，导致钻具失去单动性，而“小心轻放”可有效避免此类事故；现有的取芯技术，由于冲洗液不具良好的润滑功能，松散地层钻进时只能采用较低的转速钻进（因为采用高钻速容易卡钻），而在较低钻速的工况下，要想有进尺，则必须采用较高的钻压和较大的泵量，而高钻压和大泵量容易破坏芯样。

本发明所配制的冲洗液，由于具有良好的润滑性能，所以在钻进低强度地层时，可以采用高转速钻进，在高转速工况下，采用低钻压钻进却也能实现高效钻进，同时，由于该冲洗液具良好的返渣能力，采用小泵量也可及时排渣。另外，由于采用低钻压钻进，钻渣颗粒较小，既能确保返渣顺利，又能有效护芯。钻具在孔内正常钻进时不提动钻具、不能随意改变钻进参数，其目的是防止芯样在钻头内卡住造成芯样对磨。

进一步，所述第六步提钻采芯具体为：（1）提钻前，孔底遇泥土层或纯砂层时，应停泵干钻几公分再起钻；（2）提钻过程中，钻具应小心轻放，同时及时向孔内回灌循环液；（3）提钻后，沿着钻具内管斜缝大开口方向卸出卡箍，将半合管打开，将芯样侧向倒入储样管内，妥善保存。

孔底遇泥土层或纯砂层时停泵干钻，其目的是增大底部芯样外径，防止底部芯样滑落孔底；及时向孔内回灌循环液，其目的是为了护壁，防止孔壁坍塌。传统的做法是，芯样取出后，放入岩芯箱里，而岩芯箱中的空间是方格状，岩芯与箱壁之间存在较大的自由空间，低强度芯样容易在岩芯箱里崩塌，而本发明所采用的储样管，管内空间为凹弧状，且凹弧直径接近芯样外径，芯样倒入储样管后，芯样侧面紧贴管壁，管壁可有效约束芯样，使其保持原状。

进一步，所述冲洗液原材料的羧甲基纤维素钠和烧碱作为浆液稳定剂。且烧碱可调节冲洗液的PH值，良好性能的冲洗液必须满足一定的酸碱度。

进一步，所述冲洗液原材料的JXSK型树酯为从香粉树上提取的物质，溶于水后形成一种高粘度的润滑液。

进一步，所述冲洗液的配制流程如下：

（1）在高速搅拌桶内加入100Kg洁净水，然后加0.2Kg的羧甲基纤维素钠，启动电机进行搅拌；

（2）羧甲基纤维素钠充分溶解后再加入0.2Kg的烧碱，不停地搅拌，烧碱充分溶解后掺入2Kg粉末状树酯，在掺入树酯时应缓缓地加入，尽量让树酯粉末分散下落，避免结块；

（3）均匀搅拌4~8分钟后，倒入沉渣池，配制出一份浆液后，再以相同的流程配制浆液，直到浆液总量满足钻孔冲洗液总量；

（4）或根据现场温度及原材料性状做适当优化。

上述配制冲洗液的方法，其主要目的是让浆液均匀、不结块，从而具有良好性能，满足取芯需要。

本发明的优点是：通过采用独特的钻孔冲洗液，特制的钻具以及特殊的钻进工艺，可完整、快速地取出防渗墙全孔原状芯样，从而可对防渗墙质量进行直观、准确地评价，具有精准可靠、简单实用、高效廉价、应用广泛等特点。

附图说明

图1为本发明的径向弹性半合管结构装配图。

图2为本发明的径向弹性半合管结构上半部分示意图。

图3为本发明的径向弹性半合管结构下半部分示意图。

图4为本发明的连接扣结构示意图。

具体实施方式

1.冲洗液的配制流程如下：

（1）在高速搅拌桶内加入100Kg洁净水，然后加0.2Kg的羧甲基纤维素钠，启动电机进行搅拌；

（2）羧甲基纤维素钠充分溶解后再加入0.2Kg的烧碱，不停地搅拌，烧碱充分溶解后掺入2Kg粉末状树酯，在掺入树酯时应缓缓地加入，尽量让树酯粉末分散下落，避免结块；

（3）均匀搅拌4~8分钟后，倒入沉渣池，配制出一份浆液后，再以相同的流程配制浆液，直到浆液总量满足钻孔冲洗液总量；

（4）或根据现场温度及原材料性状做适当优化。

按此方法配置出的冲洗液具有：①润滑性（油性），减少钻具内壁与芯样的摩擦和磨损；②高粘度，确保芯样不会散架；③较高密度，确保钻具在钻进过程中不会抖动太大而破坏芯样。按此方法配置出的冲洗液对于松散地层中取出原状芯样，效果尤为显著。

2.本发明所述的单动双管钻具，其制作方法：可在国家地质行业标准的单动双管钻具（以外径89mm的单动双管钻具为例）的基础上进行改造：

（1）卸去原有的内管，换成径向弹性的半合管作为内管；此内管可随着芯样外径大小调整内管直径大小，既不会压碎芯样，也不会因间隙太大造成芯样滑落；

（2）径向弹性的半合管的制作方法：在国家地质行业标准的半合管（77mm×3.5mm）的基础上增设斜缝和连接扣；

（3）斜缝和连接扣的加工方法：先在标准管外侧每隔20cm左右设置环形凹槽，凹槽深度约0.8mm,宽度约50mm；凹槽内设斜缝，斜缝缝宽约1mm，每条缝长约50mm；连接扣选用具有良好弹性的钢材，厚度约0.8mm，宽度约10mm，长度与上述斜缝间距配套；

（4）卸去原有的地质标准钻头（钻头外径91mm)，换成钻头外径为94～95mm的非标钻头，这种非标钻头可到生产金刚石的厂家订做。

更换为非标钻头的目的是为了加大岩心管与钻孔孔壁之间的缝隙。因为现有的单动双管取芯器工作时一般使用清水作为冲洗液，对岩心管与钻孔孔壁之间的缝隙宽度不要求很大，而本发明使用树酯浆液作为冲洗液，为使新发明的冲洗液能顺畅地返出孔口，降低孔底浆压，需加大岩心管与钻孔孔壁之间的缝隙，故而换成较大外径的非标钻头。

单动双管钻具具体包括外管、内管和钻头：所述内管为新型半合管内管，新型半合管内管分成二个半合管1，半合管1上每隔一段距离设置有环形凹槽2，每个环形凹槽2内设斜缝3，在环形凹槽2上设有若干个连接扣4，连接扣4和环形凹槽2和斜缝3配套连接；所述斜缝3设置在半合管上的环形凹槽2，斜缝3深度大于环形凹槽深度，形成新型半合管内管卡口5，环形凹槽内置的形成新型半合管内管卡口5一端直径小，另一端直径大；所述连接扣4为一个通孔环形的缺口圆筒，缺口即为卡扣6，连接扣由卡扣6和卡箍7组成，卡扣6为一端直径小，另一端直径大，卡扣和新型半合管内管卡口5配套。

3.本发明所述钻进工艺，在以下方面进行改进或优化：

（1）沉渣池及循环沟的布设

在钻孔孔口附近布设沉渣池1个，沉渣池尺寸宜为2m（长）×1m（宽）×0.6m（深），两条长边之间设隔渣板一块，隔渣板上方留1个直径10cm左右的连通孔或缺口。沉渣池与孔口之间布设循环沟，为降低进入沉渣池循环液的含渣量，循环沟总长不小于5m，可迂回布设（顺藤结瓜）。开钻之前应对沉渣池和循环沟进行清理，或铺设塑料薄膜。

此布设主要是为了确保返回孔内的浆液中不含有砂粒，也不含有过量的粉粒，从而确保双管钻具的单动性。因为砂粒或粉粒等粗颗粒一旦进入钻具的内外管之间，容易堵塞并卡住，引起内管跟随外管一起转动，即钻具失去单动性。钻具在工作时一旦失去单动性，也就使内管失去了护芯的作用，松散地层的芯样将立即崩解，碎屑随冲洗液返出，无法完整取出芯样。

（2）下钻

下钻时必须做到“小心轻放”，防止粗颗粒物质进入内外管之间的间隙。尽量准确地预测孔底深度位置，每次下置钻头深度控制在距孔底5cm左右，然后再启泵送液。万一不小心钻头已碰触孔底，则必须在开钻前上提5cm左右，再启泵送液，待孔口稳定溢流至少1分钟后方可钻进。

（3）钻进参数

按照“一高两低”的原则操作，即：高钻速（约700r/min)，以提高钻进效率；低泵量（约20L/min），防止冲坏芯样和孔壁；低钻压（约6KN)，保护芯样不被压碎。

钻具在孔内正常钻进时应尽可能不提动钻具，以防钻具卡断芯样或使卡簧无法归位造成芯样堵死内管。也不要随意改变钻进参数，以免造成岩芯堵塞。

4.起钻采芯

起钻前，如果孔底为泥土层或纯砂层，回次末应停泵干钻几公分再起钻，以防岩芯掉落孔底。

起钻过程中，应及时向孔内回灌循环液，防止塌孔。

传统的做法是，芯样取出后，放入岩芯箱里，而岩芯箱中的空间是方格状，岩芯与箱壁之间存在较大的自由空间，低强度芯样容易在岩芯箱里崩塌，而本发明所采用的储样管，管内空间为凹弧状，且凹弧直径接近芯样外径，芯样倒入储样管后，芯样侧面紧贴管壁，管壁可有效约束芯样，使其保持原状。

本发明在防渗墙体钻取全孔原状芯样的方法，采用独特的钻孔冲洗液，特制的钻具以及特殊的钻探参数，以确保完整、快速地取出全孔位原状芯样，从而可对防渗墙质量进行直观、准确地评价，具有精准可靠、简单实用、高效廉价、应用广泛等特点。